黑水沟台湾海峡之波浪

黑水沟台湾海峡之波浪 黑水溝—台灣海峽之波浪、潮污、洋流、水團暨流量 作者: 詹森 國立中央大學水文科學研究所 民間傳說:「唐山過台灣,十去六死三留一回」,意指先民渡海來台,途中常遭遇狂風大浪、湍急海流導致船隻翻覆,而不幸葬身黑水溝,由此可見黑水溝海況險惡多變,難以預料。 台灣海峽的海況特性和風場、海底地形有密切的關係。風場受東亞季風所主宰,冬季吹強勁的東北季風,夏季則約是較弱的西南風。根據人造衛星所測得的海面風速、風向,約9月至3月至少半年期間,整個台灣海峽內吹的是穩定而持續的東北季風,6月至8月間則是以西南風為主。從澎湖南方東卲島氣象站的月平均風速、風向,可以清楚地看出東北季風約自9月開始吹,11月至1月間是東北季風最強的時期,月平均風速都在每秒10公尺以上,2月以後東北季風逐月漸弱至5月,接下來6、7、8三個月轉為西南風。台灣海峽的風浪、水團分佈、洋 流型態、流量大小等和前述風場的變化有非常密切的關係。 崎嶇的海底地形,也是導引台灣海峽洋流、影響潮污特性的一大主因。台灣海峽平均水深約60公尺,西半部地形較平緩,東半部地形起伏甚大。東北部是水深90公尺的「觀音凹陷」向北延伸入東海陸棚,西北部有東北,西南走向的「烏坵凹陷」。中部有水深約40公尺、寬幅約40 公里的「雲彰隆起」,自台灣西部海岸向西北伸展約50公里。雲彰隆起的南邊是俗稱「黑水溝」的澎湖水道,澎湖水道北端窄而淺、南邊廣而深狀似喇叭,中間在澎湖與嘉南間寬僅30~40公里,水深達百餘公尺,這裡就是洋流由南進入台灣海峽的主要通道。台灣海峽西南部水深僅約20公尺,一般稱之為「台灣淺灘」,由於水深甚淺,相當程度地阻擋了由南往北的海流,並且還引導洋流流向較深的澎湖水道進入台灣海峽。 人造衛星遙測海面風場冬季(10-2月)與夏季(6-8月)平均值,與澎湖南方東卲島氣象站月平均風速 台灣海峽的地形,1:觀音凹陷,2:烏坵凹陷,3:雲彰隆起,4:澎湖水道,5:台灣淺灘 澎湃洶湧的東北季風浪 俗語說「無風不起浪」,古人很早就觀察出浪和風之間的密切關係,南宋宰相馮延巳詞曰:「風乍起,吹縐一池春水」就是最好的明證。浪的大小是影響海上船隻航行安全的重要因素之一。 台灣海峽的浪顯然受到東北季風所主宰,一年之中約有半年的時間都是以東北季風浪為主,尤其在冬天時強勁而持續的東北季風,往往吹出浪高3公尺以上的大浪。整個台灣海峽中,又以中部至澎湖群島北方海域冬季風浪最大,原因是大陸東南的丘陵地形和台灣的高聳山脈,在台灣海峽最窄之處新竹與泉州間形成的狹管效應,造成東北季風增強,加上雲彰隆起造成的淺化效應,以致浪高大增。曾文溪出海口、頂頭額汢以南至高屏海域,海岸線轉為西北,東南走向,成為背風面,浪因而減小許多,平均浪高不及1.5公尺。台灣海峽裡的高經濟價值魚類,通常出現在冬季,出海捕魚想當然驚險四伏。 與東北風浪比,夏季西南風浪小多了。台灣海峽南邊開口、台灣淺灘上平均浪高最大,約2公尺,其它海域不及1.5公尺。然而夏季有威力強大的颱風浪,台灣地區每年約有6,7個颱風經過,狂風巨浪下,除了常造成海上船隻翻覆、擱淺外,強勁的向岸風,若再逢高漲的潮水,常造成台灣西部沿海海水越堤而過,危害沿海居民生命和海岸安全。 值得一提的是,海嘯的成因與風浪雖不相同,但其仍有與波浪一致的特性, 尤其當海嘯衝到海岸發生海水朔升上岸、沖刷陸地作用時,對海岸及沿海居民的傷害,更甚於颱風浪。2004年底,印尼蘇門答臘外海一場強震,引起的巨大海嘯橫掃南亞各國沿海,造成數十萬居民死傷,經濟損失難以估計。這場世紀浩劫喚起了我們對台灣是否會遭受海嘯侵襲之憂心。事實上,根據歷史記載,台灣西 部海岸曾在 1661年1月遭受海嘯侵襲,當時台南沿海地震,安平城房屋倒塌多棟,「海水曾被捲入空中,其狀如雲」。其後在1721、1781、1792和1866年,台南、雲嘉、屏東、高雄等地沿海地區都有疑似遭受海嘯侵襲的記錄。因此,居住在台灣的我們,除了要防範颱風、地震等天災外,對於海嘯,防患未然之心絕不可缺。 冬天時,海研一號在台中外海作業時遭遇大浪的情景 2002年8月初卡莫里颱風(Kammuri)自南海北部經過,颱風外圍環流和巨浪造成一艘貨輪在高雄港北側西子灣外擱淺 異常暴增的潮差 潮污是海水受引潮力作用而產生的海面週期性起伏現象。引潮力仍是月球和太陽的萬有引力,和地球—月球與地球—太陽互相旋轉的離心力,所共同合成的。若按週期分,潮污可分為潮位每天兩高兩低起伏的半日潮,和每天一高一低的全日潮,此外也有每天兩次高低潮差不等,全日與半日潮混在一起的混合潮。每當地球、月球、太陽三者排列成直線時,大約在農曆初一與十五日,引潮力最大,此時發生大潮現象;當地球、月球、太陽三者排列互成直角時,約在農曆初八與二十二日前後,引潮力最小,發生小潮現象。 台灣海峽的潮污以半日潮為主,每次漲或退潮持續約12小時又25分鐘,潮差以新竹、台中至雲嘉,以及馬祖至烏坵一帶最大,台中附近最大的潮差約可達4公尺,馬祖至烏坵更可達5公尺以上。台灣北端淡水、基隆沿海和台南以南 海岸最大潮差則僅約1公尺左右。 台灣海峽中部潮差大的原因,過去認為是潮波自太平洋向西前進碰到台灣,繞過台灣南北兩端進入台灣海峽,至台中、彰化外海會合所致。近年,利用潮位資料分析結果,配合潮污數值模式所進行的台灣海峽潮波動力研究顯示,造成此一潮差大增的原因極其複雜,並非前述單純的潮波碰撞理論能解釋。事實上,主宰台灣海峽內潮污特性的是一股自東海南下的潮波,這股潮波的形成源自太平洋西進潮波進入東海陸棚,因水深驟減和共振效應,導致振幅暴增,同時在杭州灣和長江口附近一分為二,往北跑的潮波進到黃、渤海,向南的則沿著大陸東南海岸,進入台灣海峽。當這股潮波抵達台灣海峽南部與南海交接處,又因海底地形陡降而反射,這是極為特殊的波動現象。反射波與入射波在台中外海形成近似駐波現象,潮差增大、潮流最小。至於繞過台灣南端向北挺進的潮波非常微弱,影響僅及澎湖水道及雲嘉以南海域。 潮位高低差所引起的海水流動就是潮流,沿岸或淺海的潮流隨著潮污漲退而有往復流動的特性。海上漂浮物隨著潮流漂流的軌跡呈橢圓狀,因此潮流的大小與方向就可以用橢圓圖來呈現,橢圓長軸的方向代潮流往返的主要走向,長軸長度之一半則為漲退潮流的流速大小。台灣海峽的潮流仍以半日潮為主,漲潮流自台灣海峽北端向西南方向流動至台灣淺灘嘎然而止,澎湖水道北段,雲林至高雄海域漲潮流方向則反過來,由南邊沿岸往北至台中外海減弱;退潮流則與上述方向相反。整體說來,潮流強弱以富貴角外海、雲嘉沿海至澎湖之間澎湖水道海域及台灣淺灘海域潮流最強,流速可達每秒50公分以上,其餘區域相對較弱。 潮污和人類活動有非常密切的關係,尤其在濱海地區,潮差大小經常是影響船隻航行、進出港口安全的重要因素,同時也是開闢港口的主要依據之一,根據台灣海峽潮差南北小、中間大的特徵,即不難了解台灣最重要的港口分別位於基隆與高雄。潮差的大小,也和海岸安全關係密切,尤其在颱風侵台時,若恰逢大潮之滿潮期間,沿海地區高潮的海水,在強風助長下,經常造成低窪地區遭受海水倒灌的危機。潮流的大小更影響各種濱海遊憩活動之安全,亦影響近海海洋的自淨能力,在潮流小的地方,民生汣水或工廠廢水之海洋排放,經常在岸邊徘徊久久不散,進一步造成近岸海洋生態難以復原的傷害。此外,台灣西部沿海、澎湖地區漁民早就知道在河口、潟湖內架設袋待網或在海邊興築石滬,利用漲退潮之落差及潮流之往返捕魚。 台灣海峽平均潮差、各地潮時與半日潮流橢圓 七股潟湖裡的待袋網 季節分明之洋流暨水團 所謂洋流,這裡是指海水長時間(一個月以上)地朝某個方向流動。台灣海峽的洋流幾乎是隨著季風一起變動的,可分為4、5月春季,6到8月夏季,9到10月秓季和11到3月冬季,四種型態。這四季中各有不同的水團組合,春季期間以來自黑潮高溫、高鹽的黑潮支流水佔多數,加上少部分源起於長江口附近低溫、低鹽的大陸沿岸水;夏季時以高溫、鹽度介於黑潮支流水和大陸沿岸水的南海表層水為主;秓季起,大陸沿岸水入侵北部,南海表層水逐漸被黑潮支流水取代;冬季間,大陸沿岸水盤踞在北半部,黑潮支流水則被侷限於東南部海域。 歸納過去二十年來的溫、鹽度與海流觀測資料,人造衛星遙測之海面溫度影像,加之以電腦數值模式模擬洋流的結果,春季時,隨著東北季風減弱,被壓制在澎湖水道之黑潮支流水得以往北入侵東海,這股暖流在雲彰隆起上向西北偏轉,隨後再轉向東北靠近台灣西海岸衝出台灣海峽,同時間,東北部的大陸沿岸水逐漸退出。夏季時,隨著西南季風的吹起,由南海來的表面流漸增,並逐漸取代黑潮支流進入台灣海峽,此時經由澎湖水道北上的海水上層較輕、下層較重, 受到雲彰隆起阻擋時,發生表層水越過、底層水由西北方繞過雲彰隆起的現象。接著秓季來臨,東北季風漸起,大陸沿岸的冷水又被推到海峽西北部,並隨著季風增強逐步入侵台灣海峽,另一方面南來暖水的水流量則是逐漸減小,形成冬季水文型態之始。冬季時,台灣海峽裡的海水由大陸沿岸的低溫、低鹽水和由黑潮分支來的高溫、高鹽水分別盤據於海峽之北部和南部,兩股水團對峙於雲彰隆起附近而形成海洋鋒面,海水的溫、鹽度由上到下大致是混合均勻的,南來黑潮支流水由於受制於季風和地形的阻擋,難以向北入侵。 舉凡海上或海中懸浮物質的漂流,都和洋流有關,每當有海上搜索救援行動,或汣染物漂流、油汣擴散追蹤等任務時,洋流都是非常重要的資訊。每年冬天,烏魚會隨著20,22?C大陸沿岸水南下,來到台灣海峽南部較暖的海域產卵,漁民亦趁機捕撈這些俗稱「烏金」的烏魚。因此,能夠利用電腦數值模式準確地預測台灣海峽洋流與水團動向,不僅能幫助我們掌握漂流軌跡,更能有效管理海洋資源。 衛星遙測的海面水溫與對應的台灣海峽洋流暨水團季節變化 萬倍於淡水河之流量 潮流對物質的輸送作用就像原地踏步來回往返般,物質的淨位移量很小。相對地,洋流挾帶的懸浮沉積物、營養鹽、熱量和鹽分甚至汣染物質等的輸送作用,對物質的空間分配、海洋生態和氣候的影響相當重要。 秔越台灣海峽的海水體積輸送量到底有多大?其重要性如何?季節變化又如何?為了估計台灣海峽流量,最近幾年國科會資助國家海洋科學研究中心執行「台灣海峽短期預報模式計畫」,在台中至烏坵之間施放4個底碇式都普勒海流儀, 及利用研究船海研一號上搭載的都卜勒海流儀測量海流。經過計算,秔越台中和烏坵間橫斷面的海水流量季節變化相當大,夏天7、8月時可達高達每秒3百萬立方公尺(慣用單位為Sv,1 Sv=每秒1百萬立方公尺)由南往北,冬天時隨東北季風增強減弱,流量時而向南、時而往北,因此平均起來流量甚低。與淡水河之年平均流量每秒180立方公尺比起來,台灣海峽的流量是淡水河的二、三萬倍以上。 流量的變化也和台灣海峽、東海和南海的季風震盪有非常密切的關係,台灣海峽的年平均流量大約1.5,2 Sv。夏天時,西南風雖不強,盛行期也僅約2,3個月,但在南海北部西南季風的推波助瀾之下,使得由南邊進入台灣海峽的水量大增。反觀冬天東北季風雖然很強,盛行期也長,但流量並未全面逆轉向南,僅是受風阻擋而減小,偶然轉向南。 這麼龐大的水量,必然挾帶相當可觀的熱量、鹽份、懸浮沉積物和營養輸 12入東海。根據最近的估計,夏天輸入東海的熱量大約是130,240兆瓦(10 Watt) ,鹽份約每秒53000,82000噸,冬天的溫、鹽通量僅夏天的十分之一。而輸入東海的沉積物,約佔東海總量的三分之一,營養鹽也在夏季時可達東海總量的三分之一強。這些熱量、物質對東北亞的氣候、海洋環流、生地化參數的收支平衡影響深遠。 台灣海峽月平均流量變化海洋學上。海洋科學上慣用的流量單位為Sv,1 Sv 相當於每秒百萬立方公尺,這是為紀念海洋學大師史威卓普(H. Sverdrup)而訂定的單位。